真核基因表达

分子生物学

第八章知识点总结

\chapter{真核基因表达}
真核生物基因组特点：
\begin{itemize}
    \item 结构庞大
    \item 单顺反子
    \item 重复序列，可移动序列
    \item 基因不连续性，断裂基因
    \item 有染色体结构
    \item 基因表达调控时间和空间的分隔
\end{itemize}
一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因即\redbf{基因组}，它包括每一条染色体和所有亚细胞器的DNA序列信息。

\redbf{基因}(gene)是指能产生一条肽链或功能RNA所必需的DNA片段。\redbf{真核基因}包括编码区和其上下游区域，以及在编码片段间(外显子)的间断切割序列(内含子)
\section{真核基因表达调控相关概念和一般规律}
\subsection{真核基因表达的基本概念}
基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或RNA分子的过程称为\redbf{基因表达}

基因表达是受内源及外源信号调控的。这个调控的过程称为\redbf{基因表达调控}

\subsection{真核基因的断裂结构}
\subsubsection{外显子与内含子}
大多数真核基因都是由蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列两部分组成
的。编码序列称为\redbf{外显子}(exon)，非编码序列称为\redbf{内含子}(intron)。

结构基因中，各个外显子常常被长度不等的内含子所隔离，形成镶嵌排
列的断裂方式。所以，真核基因被称为\redbf{断裂基因}(interrupted gene)。


断裂基因的结构形式为某些重要蛋白质的编码区域提供了进行重组的潜在位点，使这些DNA序列有充分的机会进行重复和组合，\redbf{有利于}真核基因的进化。

少数基因，如组蛋白及$\alpha$型、$\beta$型干扰素基因，不带内含子。
(\redbf{不含有})

某些基因中，完全除去内含子以后，照样可以产生有活性的mRNA;(\redbf{非必须})

另一些基因，如SV40T抗原基因，一旦除去内含子，成熟mRNA运入细胞质的过程就完全被阻断。(\redbf{必须})

\redbf{原核细胞表达真核基因}

如果要用\redbf{原核细胞}表达真核基因，必须首先构建切除\redbf{内含子}的重组基因，才有可能得到所研究的蛋白质。

\subsubsection{外显子与内含子连接区}
真核基因断裂结构的另一个重要特点是外显子-内含子连接区(exon-intronjunction)的\redbf{高度保守性}和\redbf{特异性}碱基序列。

\redbf{外显子-内含子连接区}就是指外显子和内含子的交界或称\redbf{边界序列}。

边界序列两个重要特征：
\begin{itemize}
    \item 内含子\redbf{两端}序列之间没有广泛的同源性。内含子两端序列不能互补，说明在剪接加工之前，内含子上游序列和下游序列不可能通过碱基配对形成发夹二级结构。
    \item 外显子-内含子连接区序列高度保守。可能\redbf{与剪接机制密切相关}，是RNA剪接的信号序列。
\end{itemize}
序列分析表明，几乎每个内含子5′端起始的两个碱基都是GT，
而3′端最后两个碱基总是AG，由于这两个碱基的高度保守性
和广泛性，有人把它称为\redbf{GT-AG法则}，即：5′ GT···AG 3′。


一般将内含子5′端接头序列称为\redbf{左剪接位点}，3′端接头序列称
为\redbf{右剪接位点}，有时也将前者称为\redbf{供体位点}(donor site)，将
后者称为\redbf{受体位点}(acceptor site)。

\redbf{RNA剪接中的两步转脂反应}
\begin{itemize}
    \item \redbf{第一步转酯反应}是由位于分支位点的保守腺苷酸的2′-OH引发的。它作为亲核基团攻击5′剪接位点保守鸟苷酸的磷酰基团。
    \item \redbf{第二步转酯反应中}，5′外显子作为亲核基团，攻击3′ 剪接位点的磷酰基团，导致两个结果：一是把5′和3′外显子连接起来了，二是把内含子作为离去基团释放出去(套索)。
\end{itemize}
\subsubsection{外显子与内含子的可变调控}
\redbf{组成型剪接}：肌红蛋白重链基因有41个外显子，
能精确地剪接成一个成熟的mRNA，这种剪切方
式被称为组成型剪接。

一个基因的转录产物通过组成型剪接只能产生一
种成熟的mRNA，编码一个多肽。

\redbf{选择性剪接}:同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA的过程称为选择性剪接。

不少真核基因的原始转录产物通过\redbf{不同的剪接方式}，产生不同的mRNA。或转录时选择不同的启动子选择\redbf{不同的多(A)位点}而使初级转录产物具有不同的二级结构，因而影响剪接过程，最终产生不同的mRNA分子。

L外显子和S外显子分别为淀粉酶mRNA提供了\redbf{不同的}起始序列。L外显子只是唾液腺淀粉酶基因中内含子序列的一部分，将在mRNA成熟过程中被切除。实验证明，由S外显子起始的转录产物是由L外显子起始转录产物的100倍以上。

一个基因的内含子成为另一个基因的外显子，形成基因的差别表达，这是真核基因断裂结构的一个重要特点。\redbf{打破界限}
\subsection{基因家族}
真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为\redbf{基因家族}(gene family)。

同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个\redbf{基因簇};

更多的时候，它们却分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同的染色体上，\redbf{具有各自不同的表达调控模式}。
\subsubsection{简单多基因家族}
简单多基因家族中的基因一般以\redbf{串联}方式前后相连。

参与前rRNA降解成熟过程的\redbf{RNase P}是一个\redbf{核酶}。

前rRNA分子中至少有100处被甲基化(主要是核糖
的2-OH甲基化)，初级转录产物被特异性RNA酶
切割降解，产生成熟rRNA分子。这个过程需要
\redbf{snoRNAs （核仁小分子RNA）}的参与。

\subsubsection{复杂多基因家族}
复杂多基因家族一般由\redbf{几个相关基因家族构成}，基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。

在一个特定的细胞中，并\redbf{不是所有串联的单位都得到转录}。

串联单位中的每一个基因\redbf{分别被转录成单顺反
子RNA}，这些RNA都没有内含子，而且各基因
在\redbf{同一条DNA链上}按同一方向转录，每个基因
的转录与翻译速度都受到调节。

因为组蛋白只有在适合于染色体复制的情况下才大量合成，而且所合成的H$_2$A、H$_2$B、H$_3$，和H$_4$，摩尔数相等，H$_1$的量恰好是前者的一半，这是染色体组蛋白的实际比例。\redbf{(2:2:2:2:1)}

胚胎发育的不同阶段或不同组织中，有不同的串联单位被转录，\redbf{暗示可能存在具有不同专一性的组蛋白亚类和发育调控机制}。

\subsubsection{发育调控的复杂多基因家族}
\redbf{血红蛋白}是所有动物体内输送分子氧的主要载体，由2$\alpha$2$\beta$组成的\redbf{四聚体}加上一个\redbf{血红素辅基}(结合铁原子)后形成功能性血红蛋白。在生物个体发育的不同阶段，却出现几种不同形式的$\alpha$和$\beta$亚基。\redbf{属于发育调控的复杂多基因家族表达}。

\subsection{真核基因表达的方式和特点}
\subsubsection{表达的方式}
组成性表达即\redbf{管家基因}(housekeeping gene)的表达。

选择性表达：即\redbf{可诱导基因}(inducible gene)或\redbf{可阻遏基因}(repressible gene)的表达。

组成性表达:
\begin{itemize}
    \item 某些基因在个体的所有细胞中持续表达，这些基因通常被称为\redbf{管家基因}(housekeeping gene)，其表达模式又被称为\redbf{组成性基因表达}
    \item 管家基因是细胞结构和代谢过程中所必需的基因，通常能够保持较高的表达量。\redbf{可作为RT-PCR的内参}
\end{itemize}
选择性表达
\begin{itemize}
    \item 在特定环境信号刺激下，基因被激活，基因表达产物增加，称为\redbf{可诱导基因}(inducible gene)。如果基因被环境信号所被抑制，这种基因就是\redbf{可阻遏基因}(repressible genes)。这两类基因的表达称为\redbf{选择性表达}。
    \item \redbf{基因表达调控}是调节选择性表达基因的转录和翻译的速率，导致其蛋白水平发生改变并影响功能。
\end{itemize}
\subsubsection{基因表达的时空特异性}
基因表达的\redbf{时间特异性}(temporal specificity)，即按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。

多细胞生物基因表达的时间特异性又称\redbf{阶段特异}性(stage specificity)。

基因表达的\redbf{空间特异性}(spatial specificity)，是指
在个体生长过程中，某种基因产物按不同组织空
间顺序出现。

基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，
实际上是由细胞在不同器官的分布所决定的。所
以，空间特异性又称\redbf{细胞或组织特异性}(cell or
tissue specificity)。

\subsection{真核基因表达调控一般规律}
对大多数真核细胞来说，基因表达调控的最明显特征是
能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实
现\redbf{“预定”}的、\redbf{有序}的、\redbf{不可逆转}的分化、发育过程，
并使生物的组织和器官保持正常功能。

\section{真核基因表达的转录水平调控}
\begin{kaobox}
    真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA 的空
间结构方面存在如下几个方面的差异：
\begin{itemize}
    \item 在真核细胞中，\redbf{一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链}，很少出现多基因操纵子形式。
    \item 真核细胞\redbf{DNA与组蛋白和大量非组蛋白相结合}，只有一小部分DNA是裸露的。
    \item 高等真核细胞\redbf{DNA中大部分是不转录}的，包括真核细胞中有由几个或几十个碱基组成的，在整个基因组中重复几百次甚至上百万次的DNA序列和不被翻译的内含子。
    \item 真核生物能够有序地根据生长发育阶段的\redbf{需要进行DNA片段重排}，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数，这种能力在原核生物中也是极为鲜见的;
    \item 真核生物中，\redbf{基因转录的调节区大而多}，它们可能远离核心启动子达几百个甚至上千个碱基对。这些调节区与蛋白质结合，但是并不直接影响启动子区对于RNA聚合酶的接受程度，而是通过改变整个所控制基因5′上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。（增强子，沉默子等调节区）
    \item 真核生物的RNA在细胞核中合成，\redbf{只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质}。原核生物中不存在这样严格的空间间隔。
    \item 许多真核生物的基因\redbf{只有经过复杂的成熟和剪接过程}，才能被顺利地翻译成蛋白质。
\end{itemize}
\end{kaobox}
\subsection{真核生物一般结构特征}
一个完整的真核基因，不但包括编码区(coding
region)，还包括5′和3′端长度不等的特异性序列，
它们虽然不编码氨基酸，却在基因表达的过程中
起着重要作用。

\subsection{真核基因的转录调节}
基因转录调节的基本要素包括顺式作用元件、反式作用因子、RNA 聚合酶。
\subsubsection{顺式作用元件}
\redbf{顺式作用元件}指\redbf{启动子}和基因的调节序列。主要
包括\redbf{启动子}、\redbf{增强子}、\redbf{沉默子}、\redbf{基因座控制区( LCR) }、\redbf{绝缘子}等。

\begin{enumerate}
    \item 启动子：真核基因启动子由\redbf{核心启动子}和\redbf{上游启动子}两个部分组成，是在基因转录起始位点(+1)及其5′上游100～200bp以内的一组具有独立功能的DNA序列，每个元件长度为7～20bp，是决定RNA聚合酶Ⅱ转录起始点和转录频率的关键元件。
    \begin{itemize}
        \item \redbf{核心启动子(core promoter)}：是指保证RNA聚合酶Ⅱ转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游-25～-30 bp处的TATA盒。核心启动子单独起作用时，只能确定转录起始位点并产生基础水平的转录。
        \item \redbf{上游启动子元件(upstream promoter element, UPE)}：包括通常位于-70bp附近的CAAT盒(CCAAT)和GC盒(GGGCGG)等，能通过TFⅡD复合物调节转录起始的频率，提高转录效率
    \end{itemize}
    \item 增强子(Enhance)是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。作为基因表达的重要调节元件，增强子通常具有下列性质：
    \begin{itemize}
        \item \redbf{增强效应十分明显}。一般能使基因转录频率增加10～200倍，有的可以增加上千倍，如人巨大细胞病毒增强子增强后的珠蛋白基因表达频率比该基因正常转录高600～1000倍。
        \item 增强效应与其位置和取向无关。不论增强子以什么方向排列(5′ → 3′ 或3′ → 5′)，甚至与靶基因相距3000碱基对或在靶基因下游，均表现出增强效应。
        \item 大多为\redbf{重复序列}，一般长约50kb，适合与某些蛋白 因 子 结 合 。 其 内 部 常 含 有 一 个 核 心 序 列 ：(G)TGGA/TA/TA/T(G)，该序列是产生增强效应时所必需的。
        \item 其增强效应有\redbf{严密的组织和细胞特异性}，说明增强子只有与特定蛋白质(反式作用因子)相互作用才能发挥功能。
        \item \redbf{没有基因专一性}，可以在不同的基因组合上表现增强效应。
        \item 许多增强子还\redbf{受外部信号的调控}，如金属硫蛋白基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。
        \item 增强子可能作用机制：导致DNA双螺旋弯折或在反式因子的参与下，以蛋白质之间的相互作用为媒介形成\redbf{增强子与启动子之间“成环”连接}，活化基因转录；
    \end{itemize}
    \item 沉默子
    \begin{itemize}
        \item 为真核生物中\redbf{负性调节元件}，当其结合特异蛋白因
子时，对基因转录起阻遏作用。
        \item 沉默子最早在酵母中发现，\redbf{可不受序列方向的影响}，能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。
    \end{itemize}
    \item 基因座控制区(LCR):是染色体DNA上一种顺式作用元件，含有多种反式作用因子的结合序列，使启动子处于无组蛋白状态，增强基因表达。
    \item 绝缘子:
    \begin{itemize}
        \item 绝缘子(insulator)长约几百个核苷酸对，通常位于启动子同顺式调控元件(增强子)或反式调控因子之间的一种调控序列。
        \item 绝缘子本身对基因的表达既没有正效应，也没有负效应，其作用能阻止正调控或者负调控信号在染色体上的传递，阻断包括增强子、沉默子和LCR的作用，使染色体活性限制在一定结构域内。
    \end{itemize}
\end{enumerate}
\subsubsection{转录模板}
包括从转录起始位点到RNA聚合酶Ⅱ转录终止处的
全部DNA 序列。
\subsubsection{RNA 聚合酶Ⅱ}
真核生物有3种RNA聚合酶，催化转录不同RNA
产物。真核生物3 种RNA 聚合酶中，\redbf{只有聚合酶
Ⅱ}能够转录信使RNA 前体，并在加工成熟后按照
三联子密码的原理翻译成蛋白质产物。
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.96\textwidth]{img/真核生物RNA聚合酶.png} % 替换为你的图片文件名
    \caption{真核生物RNA聚合酶}
    \label{fig:RNA_polymerase_II}
\end{figure}
\redbf{RNA聚合酶Ⅱ}是一类能够直接或间接与启动子核
心序列TATA 盒特异结合、并启动转录的调节蛋白。
RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成转录起始复
合物。

RNA 聚合酶Ⅱ由至少 10～12 个亚基组成，其中2.4×10 5 最大亚基（ RPB1）
的羧基端含有由 7 个氨基酸残基\redbf{（Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser）}组成的多磷酸化位点重复序列，称为\redbf{羧基端结构}（CTD）。

\subsubsection{RNA聚合酶Ⅱ基础转录所需的蛋白质因子（TFⅡ）}
在生理条件下，RNA 聚合酶Ⅱ转录某个基因时通常
需要与20种以上的蛋白质因子结合形成\redbf{转录起始复合物}。

RNA 聚合酶Ⅱ整合成为转录起始复合物，有两种
假说。
\begin{itemize}
    \item \redbf{“一步结合”}：RNA聚合酶Ⅱ先同转录因子和转录相关蛋白结合成转录复合体，然后在TATA 结构域结合蛋白（TBP）的帮助下结合到DNA上，起始基因转录。
    \item \redbf{“分步结合”}：起始转录过程中，TBP和11个TBP相关因子先后结合到 TATA盒上，构成有功能的转录起始复合物，起始靶基因转录。
\end{itemize}
在RNA 聚合酶Ⅱ参与转录调节的整个过程中，其\redbf{CTD 上2 位和5
位丝氨酸的磷酸化}能够引发并确保转录过程各个步骤的顺利进行。
\begin{itemize}
    \item 在转录起始阶段，\redbf{CTD 上5 位丝氨酸的磷酸化是形成转录起
始复合物的必要前提}。
    \item 在转录延伸阶段，磷酸化的5位丝氨酸逐步去磷酸化，2位丝氨酸转化为磷酸化形式，有助于在转录终止过程中确保3′RNA 加工过程顺利进行。
    \item 转录结束后，CTD 7 元重复序列上的两个丝氨酸都保持去磷酸化状态，有助于转录复合物的解离，使RNA 聚合酶Ⅱ与新的启动子相结合，启动新一轮基因转录。
\end{itemize}
\subsection{反式作用因子}
\redbf{反式作用因子}指能够结合在顺式作用元件上调控
基因表达的\redbf{蛋白质或者RNA}。

根据功能，将反式作用因子分为以下3类：\redbf{具有识
别启动子元件功能的基本转录因子、能识别增强
子或沉默子的转录调节因子，以及不需要通过
DNA- 蛋白质相互作用就参与转录调控的共调节因
子}

基本转录因子和转录调节因子，统称为转录因子包括\redbf{转录激活因子}(TF)和\redbf{转录阻遏因子}

这类调节蛋白能识别并结合转录起始点的上游序列或远端增强子元件，\redbf{通过DNA-蛋白质相互作用而调节转录活性，并决定不同基因的时间、空间特异性表达}。

\redbf{共调节因子}本身无DNA结合活性，主要通过蛋白质-蛋白质相互作用影响转录因子的分子构象，从而调节转录活性。

实验中，常将与转录激活因子有协同作用的那一类共调节因子称为\redbf{共激活因子}，将与转录阻遏因子有协同的作用那一类共调节因子称为\redbf{共阻遏因子}。

转录因子：基本转录因子；转录调节因子（转录激活因子，转录阻遏因子）

共调节因子（共激活因子；共阻遏因子）

反式作用因子中的结构域：转录因子的\redbf{DNA结合域}的功能是把\redbf{转录活化结构域}“拴在”起始复合体附近，使之能够发挥活化转录的作用。

每一个DNA结合结构域有一个与DNA序列相互作用的\redbf{模体
(motif)或基序}，多数基序含有一个插入DNA大沟的片段，能识
别大沟的碱基序列。 DNA结合结构域类型包括：
\begin{enumerate}
    \item 螺旋-转角-螺旋
    \begin{itemize}
        \item 该结构域长约20个氨基酸，包含两个\redbf{α-螺旋区}和螺旋区中间的转折区，主要通过同源域C端的α-螺旋与DNA双螺旋大沟结合，并通过其N端的多余臂与DNA 的小沟相结合。
        \item 近\redbf{羧基端的α 螺旋}中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质\redbf{在DNA双螺旋大沟中的结合}。
        \item 一般认为，同源转换区蛋白（同源域是指编码60个保守氨基酸序列的DNA片段）之所以具有转录调节功能，与这些\redbf{蛋白质C端类似于H-T-H结构}有关。
    \end{itemize}
    \item 锌指结构
    \begin{itemize}
        \item 锌指结构大体可分为\redbf{锌指、锌钮(twist)和锌簇
(cluster)}结构，其特有的\redbf{半胱氨酸和组氨酸残基}
之间氨基酸残基数基本恒定，有锌参与时才具备
转录调控活性。
        \item 重复的锌指结构都是以锌原子为中心,将一个α螺旋与一个
反向平行β片层的基部通过\redbf{一对半胱氨酸和一对组氨酸}之
间形成配位键相连接，锌指环上突出的\redbf{赖氨酸、精氨酸}参
与DNA的结合
        \item 一些结构被称为Cys2/Cys2锌指，\redbf{Cys—X$_2$—Cys—X$_{13}$—Cys—X$-2$—Cys}
        \item Cys2/Cys2与Cys2/His2锌指区是不同的。如果把固
醇类受体蛋白锌指区中的后两个Cys突变成为His，
转录因子无法识别和激活靶基因。
    \end{itemize}
    \item 亮氨酸拉链
    \begin{itemize}
        \item 亮氨酸拉链是一种\redbf{富含亮氨酸的蛋白链}形成的二聚体模体；
这类蛋白质的DNA结合结构域实际是以\redbf{碱性区和亮氨酸拉
链}结构域整体作为基础
        \item 亮氨酸拉链区并不能直接结合DNA，\redbf{只有肽链氨
基端20～30个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合。}
若不形成二聚体，该碱性区对DNA的亲和力明显
降低。
    \end{itemize}
    \item 螺旋-环-螺旋
    \begin{itemize}
        \item 蛋白质的N端是碱性区，为DNA结合区。\redbf{碱性-螺旋-
环-螺旋类蛋白通常组成二聚体}的形式，才具有结合
DNA的能力。
    \end{itemize}
\end{enumerate}
转录活化结构域：一般是\redbf{DNA结合结构域}以外的20-100氨基酸残基组
成，它们与DNA结合结构域在空间和功能上是分开
的，主要包括以下几种特征性结构：
\begin{itemize}
    \item \redbf{酸性α-螺旋结构域}：该结构域多呈\redbf{双亲性的α-螺旋}结构，一侧富含酸性氨基酸，为
亲水性，另一侧含疏水性氨基酸。可能通过\redbf{非特异性}的相互作
用与转录起始复合物上的TFIID等因子结合而促进转录，特异
性诱导转录起始的活性不很强，增加激活区的负电荷数能提高
激活转录的水平。包含这种结构域的转录因子有GAL4、GCN4、
糖皮质激素受体和AP-1/Jun等。
    \item \redbf{富含谷氨酰胺结构域}:谷氨酰胺丰富区 (glutamine-rich domain):氨基酸组成中\redbf{有25\%的谷氨酰胺}，很少有带电荷的氨
基酸残基。
    \item \redbf{富含脯氨酸结构域}:CTF家族(包括CTF-1、CTF-2、CTF-3)的C末端与其转录激活功能有关，\redbf{含有20\%～30\%的脯氨酸残基}。其它，如Oct2、Jun哺乳动物转录因子中也富含这种结构。
\end{itemize}
利用顺式作用元件和反式作用因子间相互作用的
原理，科研人员研发了许多调控基因表达的技术。
其中最新的应用当属\redbf{TALEN 技术}。

\redbf{TALEN技术}利用转录激活
因子34个氨基酸重复肽段中第12、13个氨基酸可以
特异识别DNA单个碱基的特性，串联合成可识别目
的碱基序列的TALE蛋白，与内切核酸酶FokⅠ融合
表达，可切割特异识别序列下游9～13 bp，从而实
现敲除指定内源基因的功能

\redbf{锌指核酸酶}(zinc-finger nucleases,ZFN):锌指结构中每一个a螺旋可以特异地识别3~4个碱基。利用不同的锌指结构识别特异DNA序列的特点以及核酸酶能够切断靶DNA的原理，构建获得的\redbf{新型限制性内切核酸酶}。



\section{真核基因表达的染色质修饰和表观遗传调控}
在真核生物中，发生在转录之前的、染色质水平上的结构调整，称之为\redbf{基因表达的表观遗传调控}。主要包括:
\begin{itemize}
    \item \redbf{DNA修饰(DNA甲基化)}
    \item \redbf{组蛋白修饰(组蛋白乙酰化、甲基化)}
\end{itemize}
\subsection{真核生物DNA水平上的基因表达调控}
在个体发育过程中，用来合成RNA的DNA模板七会发生规律性变化，从而控制基因表达和生物体的发育。

这种DNA水平的调控是真核生物发育调控的一利形式，它包括了\redbf{基因丢失、扩增、重排和移位}等方式，通过这些方式可以消除或变换某些基因改变它们的活性。

\subsubsection{“开放”型活性染色质结构 对转录的影响}
\redbf{常染色质}：折叠疏松、凝
缩程度低，处于伸展状态，
碱性染料染色时着色浅。
这一区域的基因具有转录
活性，为转录活跃区

早期体外实验观察到组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录，去除组蛋白基因又能够转录。核小体的\redbf{结构消除或改变，会使DNA结构由右旋变为左旋}，导致结构基因暴露，使转录因子与启动区结合，诱发转录。这些都表明\redbf{核小体结构影响基因转录}。

染色质易被核酸酶降解区域:
\begin{itemize}
    \item 处于活跃状态的基因比非活跃状态的DNA更容易被\redbf{DNaseI所降解}。
    \item 原因是活跃表达的基因所在染色质上包含一个或数个DNaseI超敏感位点，常出现在转录基因的5'端启动区，多在调控蛋白结合位点的附近，该处\redbf{DNA裸露}，易被核酸酶降解。
    \item “灯刷形”染色体只在两栖类动物卵细胞发生减数分裂时才能观察到，它是染色体充分伸展时的一种形态。此时，两对姐妹染色体常常通过“交叉点”(chiasmata)连成一体。
    \item 高倍电镜下观察发现，灯刷形染色体上存在许多突起的“泡”状或“环”状结构，有时还能看到\redbf{RNP 沿着这些突起结构移动，表明这些DNA正在被RNA聚合酶所转录。}
\end{itemize}
\subsubsection{基因扩增}
\redbf{基因扩增}是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。

在没有发生细胞分裂，整条染色体几乎没有复制的情况下，\redbf{细胞内某些特定基因的拷贝数专一性增加。}
\begin{itemize}
    \item 为满足正常的生长发育需要。如两栖类和昆虫卵母细胞\redbf{rRNA基因}的扩增:卵母细胞中的rDNA拷贝数比体细胞中增加了4000倍。
    \item 外界环境因素引起基因扩增。\redbf{基因扩增与肿瘤形成及细胞衰老}有关。在原发性的视网膜细胞瘤中，含myc原癌基因的DNA区段扩增10~200倍。
\end{itemize}
\subsubsection{基因重排与变换}
将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为\redbf{基因重排}。
\begin{itemize}
    \item 免疫球蛋白结构基因表达 (B淋巴细胞合成):\redbf{免疫球蛋白}的肽链分H链和L链，主要由可变区(V 区)、恒定区(C 区)以及两者之间的连接区(J 区)组成。
    \item T 细胞受体基因的表达 (T淋巴细胞合成)
\end{itemize}
\subsection{DNA 甲基化与基因活性的调控}
\redbf{DNA甲基化}是最早发现的修饰途径之一，可能存在于所有高等生物中并与基因表达调控密切相关。研究表明，DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。

DNA甲基化能引起\redbf{染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质}相互作用方式的改变从而控制基因表达。
\subsubsection{DNA甲基化}
在染色体水平上，DNA甲基化在着丝粒附近水平最高；在基
因水平上，DNA甲基化高水平区域涵盖了多数的转座子、假
基因和小RNA编码区。

哺乳类基因组中约存在4万个CpG岛，它们大多位于结构基
因启动子的核心序列和转录起始点，其中有60\%～90\%的
CpG被甲基化，CpG岛在基因表达调控中起重要作用。

CpG岛对转录的调控作用？

甲基转移酶（两种）
\begin{itemize}
    \item \redbf{日常性甲基转移酶}(DNMT1):在甲基化母链(模板链)指导下使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。该酶催化特异性极强，对半甲基化的DNA有较高的亲和力，使新生的半甲基化DNA迅速甲基化，\redbf{从而保证DNA复制及细胞分裂后甲基化模式不变}。
    \item \redbf{从头甲基转移酶}(DNM T3a/T3b)：催化未甲基化的CpG成为mCpG，它不需要母链指导，但速度很慢。\redbf{这类甲基化酶是导致特异基因受甲基化调控的主要因子，在基因表达的表观遗传学研究中有十分重要的地位}。
\end{itemize}

\subsubsection{DNA甲基化抑制基因转录的机制(原因)}
\begin{itemize}
    \item DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。(原因一)研究表明，当组蛋白H1与含CCGG序列的甲基化或非甲基化DNA分别形成复合体时，DNA的构型存在着很大的差别，甲基化达到一定程度时会发生\redbf{从常规的B-DNA 向Z-DNA 的过渡。}
    \item \redbf{序列特异性甲基化结合蛋白}(MBD/MeCP)可与启动子区的甲基化CpG岛结合，阻止转录因子与启动子作用，从而阻抑基因转录过程。(原因二)
    \item 对于弱启动子来说，稀少的甲基化就能使其完全失
去转录活性。当启动子被增强时(带有增强子)，即
使不去甲基化也可以恢复其转录活性
    \item \redbf{甲基化CpG 的密度和启动子强度之间的平衡决定
了该启动子是否具有转录活性}。
\end{itemize}
\subsection{组蛋白乙酰化对真核基因表达的影响}
组蛋白的修饰(\redbf{乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化
和糖基化等})引起的结构变化能影响基因的开关，
也调控着基因的转录，影响着基因的表达，是目前
表观遗传学(Epigenetic)研究的重要部分。也被称
为\redbf{组蛋白密码}。
\subsubsection{组蛋白的基本组成}
组成染色质的基本结构
单元\redbf{核小体}(nucleosome)
由\redbf{组蛋白}(histone)八聚
体 (由两个包含 H$_2$A、
H$_2$B、H$_3$ 和H$_4$的四聚体
组 成 ) 和缠绕两圈的
DNA 组成。

组蛋白是\redbf{碱性蛋白质}，带正电荷，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合，从而\redbf{遮蔽了DNA分子}，妨碍了转录，可能扮演了非特异性阻遏蛋白的作用。

进行活跃基因转录的染色质区段常有富含赖氨酸的组蛋白(H1)水平降低、H2A、H2B组蛋白二聚体不稳定性增加、组蛋白乙酰化和泛素化等现象，这些都是\redbf{核小体不稳定或解体的因素}。

\subsubsection{核心组蛋白的乙酰化和去乙酰化}
组蛋白的乙酰化过程由组蛋白\redbf{乙酰转移酶}(histone
acetyltransferase, HAT)催化，目前已发现了4种\redbf{组
蛋白乙酰基转移酶}和 5种\redbf{去乙酰化酶} (histone
deacetylase, HDAC)。
\subsubsection{组蛋白乙酰基转移酶}
\redbf{组蛋白乙酰基转移酶}(histone acetyltransferase,HAT)主要有两类:

一类\redbf{与转录有关}，另一类\redbf{与核小体组装以及染色质的结构}有关。

HAT并不是染色质结合蛋白，但是可以通过与其他蛋白质相互作用来影响染色质的结构。

许多转录激活因子都有HAT活性:


\redbf{酵母调控蛋白GCN5与HAT同源}，具有乙酰化组蛋白H$_3$ 和H$_4$的活性。\redbf{TAFII250组蛋白乙酰基转移酶}与启动子结合协助起始转录，可使组蛋白H$_3$ 和H$_4$乙酰化。转录共激活子PCAF也能使这两个组蛋白乙酰化。\redbf{组蛋白乙酰基转移酶p300/CBP也是转录共激活子}，能使组蛋白H$_2$A、H$_2$B、H$_3$ 和H$_4$乙酰化。

\subsubsection{组蛋白去乙酰化酶}
\redbf{组蛋白去乙酰化酶}(histone deacetylase, HDAC)主
要有人类中的HDAC1和酵母中的Rpd3。
\subsubsection{组蛋白乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响}
组蛋白N端“尾巴”上赖氨酸残基的乙酰化中和了组蛋白尾巴的正电荷，\redbf{失去了与DNA的结合能力，从而提高了基因转录的活性}。

\redbf{组蛋白H$_3$ 和H$_4$的Arg、Lys的-NH2是修饰的主要位点。}乙酰化也使相邻核小体的结合受阻，同时也促进泛素与组蛋白H$_2$A的结合，导致组蛋白选择性降解。

\begin{itemize}
    \item 乙酰化能促进基因转录的活性:
在组蛋白特殊氨基酸残基上的乙酰化，可改变蛋
白质分子表面的电荷，影响核小体的结构，\redbf{从而
调节基因的转录活性；}
    \item 组蛋白乙酰化与转录起始复合物装配:
组蛋白乙酰化作用能阻止核小体装配，\redbf{使染色质
处于比较松弛状态；}
    \item 组蛋白的去乙酰化与基因沉默:
组蛋白低乙酰化或去乙酰化伴随着转录\redbf{沉默或转
录抑制}。失活的X染色体中H4完全没有乙酰化；H$_4$
的Lys16残基的去乙酰化作用对于维持基因沉默十
分重要。
    \item HAT与HDAC之间的动态平衡:
\redbf{控制着染色质的结构和基因表达}。
\end{itemize}
\subsection{组蛋白甲基化对于真核基因表达的调控}
\subsubsection{组蛋白甲基化的功能}
各种组蛋白甲基化修饰在染色体上的分布以及功
能不尽相同，比如H3K9me3标记通常与异染色质
化有关，H3K27me3通常与抑制基因表达有关，
而H3K4me3 常被视作转录活化区的标记。

近年的研究发现，\redbf{异染色质化区域}可以分成\redbf{非组成
型}和\redbf{组成型}异染色质化，这两种情况的组蛋白甲基
化修饰也不相同：
\begin{itemize}
    \item \redbf{非组成型异染色质化}:多发生在不同生长发育时期一些需要被沉默的基因区域。某些特定发育时期带有\redbf{H3K27me3}标记的染色质区域会在特定转录调节因子作用下被\redbf{PRC}特异识别、结合并在H3K27甲基转移酶作用下将该区域附近的其他染色质上的H3甲基化，从而引起大范围的异染色质化\redbf{导致整个区域发生基因表达沉默。}
    \item \redbf{组成型异染色质化}:通常发生在染色质\redbf{中心粒、端粒区域}，常由HP1蛋白介导。HP1蛋白质形成二聚体识别并结合H3K9me2/3。然后招募SUV39 使新生成的组蛋白发生三甲基化，使得中心粒和端粒附近的区域始终保持异染色质状态。
    \item \redbf{表观修饰的遗传}: 表观修饰是可遗传的，当母细胞分裂出子细胞时，母细胞染色质具有的特定表观修饰会在子代细胞DNA 的相同位置重现。
    \item \redbf{常表达染色质}: 该区域比异染色质区有更宽松的修饰环境，也存在一些较普遍的标记，如基因的增强子区常有H3K4me1修饰。

\end{itemize}

酵母中启动子区的RNA聚合酶Ⅱ\redbf{第5位丝氨酸}被磷
酸化，随即与H3K4甲基转移酶Set1相互作用，使
启动子区发生H3K4me3修饰，进一步招募HAT使
得该区域发生乙酰化，可提高的转录起始效率。

RNA聚合酶Ⅱ\redbf{第2位丝氨酸}被磷酸化，即可与
H3K36甲基转移酶Set2相互识别，进而招募HDAC
使得转录区域发生去乙酰化，转录起始事件发生
频率比较低，使得转录延伸顺利进行。
\subsubsection{组蛋白甲基转移酶}
组蛋白上赖氨酸和精氨酸残基可以被甲基化修饰。因此组蛋白甲基转移酶分成两类：\redbf{组蛋白赖氨酸甲基转移酶 (HKMT) 和 蛋白质精氨酸甲基转移酶 (PRMT)}
\subsubsection{组蛋白去甲基化酶}
\redbf{去甲基化酶LSD1}(lysine specific demethylase 1)

\redbf{赖氨酸去三甲基化酶JMJD2}
\section{非编码RNA对真核基因表达的调控}
\redbf{非编码RNA}(non-coding RNA，ncRNA)是一类不编码蛋白质的RNA。

根据RNA的大小，非编码RNA可以分为\redbf{小分子非编码RNA}，包括干扰小RNA(siRNA)、微RNA(miRNA)及\redbf{长链非编码RNA}(IncRNA)

\redbf{siRNA和miRNA}常在基因沉默方面发挥功能，从而影响基因表达。
\subsection{干扰小RNA}
\redbf{RNA干扰}：\redbf{基因表达共抑制现象}(co-suppression)。发现
不论引入靶基因的正义链(sense)还是反义链
(antisense)，都可能导致内源靶基因表达量下降。
\subsubsection{干扰小RNA(siRNA)的发现}
998年，实验发现RNAi的重要特性是以\redbf{双链RNA(dsRNA)}行
使功能。

介导这种沉默现象的小片段RNA（21-23nt）称为\redbf{干扰小RNA}
\subsubsection{siRNA 的生物合成}
一个长为21nt的dsRNA，中间19nt形成配对双链，一条链为\redbf{引导链}(guide strand)，介导mRNA的降解;另一条为\redbf{乘客链}(passenger strand)，在siRNA形成有功能的复合体前被降解。

siRNA的产生过程主要包括着3个核心步骤:\redbf{经Dicer切割形成双链小片段;组装复合物;形成有活性的沉默复合物}(RNA induced silencing complex, RISC).
\begin{itemize}
    \item \redbf{Dicer切割}: Dicer是一类RNaseⅢ蛋白，主要包括
一对RNaseⅢ结构域、双链RNA结合域、解旋酶结构
域和PAZ结构域。PAZ结构域可以结合双链RNA的两
个3′不配对核苷酸。
    \item \redbf{R2D2（双链RNA结合蛋白）的装配}: siRNA的装载需要
R2D2的帮助。R2D2包含两个一前一后的的双链RNA结合结构域，
可以结合双链小RNA热稳定性高的一端，即引导链3′端一侧。
    \item \redbf{RISC的装配和成熟}: Argonaute与Dicer可以发生蛋白质
-蛋白质相互作用，Argonaute首先与Dicer交换，结合到siRNA
双链的一端，然后与R2D2 交换，将整个双链小RNA 都转载到
Argonaute中。此时，Argonaute将乘客链降解，形成有功能的沉
默复合物。
\end{itemize}
\subsubsection{siRNA介导的基因沉默机制}
siRNA介导的基因沉默主要发生在\redbf{转录后水平的
mRNA的降解}和\redbf{染色体水平上}形成异染色质两个
水平。

靶mRNA被siRNA切割成若干长度差为21～23核
苷酸，片段长度由siRNA与mRNA的区域互补配
对所决定。同时，siRNA介导的mRNA的降解需
要\redbf{核酸酶催化及镁离子}的参与。

装配好的RISC \redbf{(siRNA+Argo)}

siRNA引导链的5′端与Argonaute蛋白的\redbf{MID}结合，延
伸MID/PIWI界面至3′ 端与PAZ结合。

长约10个核苷酸的mRNA-siRNA配对物位于PIWI功
能域，切割发生在第9、10个核苷酸上，\redbf{由PIWI催化
将靶mRNA切断}，并使被切断的mRNA离开RISC。

RNA依赖的\redbf{RNA聚合酶} (RNA-dependent RNA
polymerase，RDRP)使siRNA 继续扩增，产生\redbf{次级
siRNA 放大效应。}

\begin{itemize}
    \item 通常成熟的真核mRNA与5′帽子结合蛋白和3′多腺苷酸结合蛋白等结合，使RDRP无法靠近mRNA
    \item Ps1：当缺少RNA结合蛋白时，RDRP结合mRNA并以其为模版，扩增出双链RNA，经Dicer切割产生siRNA，降解内源RNA。
    \item Ps2：对于结合蛋白完好的mRNA，\redbf{如果体内有与它相配对的siRNA}，该siRNA便作为扩增的引物以mRNA为模板合成双链RNA，产生新的RISC
    \item 新扩增产生的各种次级siRNA可以与靶mRNA的不同区域配对，更大范围地降解靶mRNA。\redbf{(产生次级siRNA 放大效应)}
\end{itemize}
植物、线虫和酵母中都发现存在以RNA为模版的
RNA扩增机制，但哺乳动物和果蝇的基因组分析
却没有发现相关基因。

植物中的研究发现，次级siRNA可以传递到其他
细胞中，它既可以在相邻的细胞-细胞间近距离传
递，也可以通过韧皮部在不同组织间广泛传播。
\subsubsection{siRNA 的生物学意义}
\begin{itemize}
    \item 在转录水平、转录后水平参与基因的表达调控；
    \item 维持基因组的稳定；
    \item 保护基因组免受外源核酸侵入。
\end{itemize}
\redbf{宿主}可以病毒RNA为模版，通过RDRP合成病毒的双链
RNA，降解病毒RNA，抑制病毒对宿主细胞的破坏。并通
过胞间传递让组织提前具有抵抗病毒的能力。

\redbf{病毒}也进化出与宿主抗病基因序列相似的RNA，借助相似
的机制生成RISC，降解宿主细胞抗病基因的mRNA。通过
在宿主体内传播，增加未被侵染的细胞的易感性。
\subsection{miRNA}
\subsubsection{miRNA 的生物合成}
形成成熟的miRNA的过程：先由\redbf{RNA聚合酶Ⅱ} 产
生的较长的初级转录物\redbf{pri-miRNA}，中间有一段
不完美配对的茎-环结构。经过\redbf{第一步切割产生
pre-miRNA}，再经\redbf{第二步切割产生双链miRNA}，
双链解链形成成熟的长21个核苷酸左右的单链
miRNA。

动物中miRNA前体的两次切割都由RNaseⅢ内切核
酸酶以及双链RNA 结合蛋白完成。

\redbf{Drosha} 是一种RNaseⅢ，将pri-miRNA的3′端和5′ 端
切割产生长约70个核苷酸:第一次切割特征：
\begin{itemize}
    \item \redbf{5′ 端带磷酸基团，3′ 端为羟基的miRNA前体(pre-miRNA)}
    \item 保留\redbf{茎-环结构区}
    \item 切割端具有2～3个核苷酸的3′不配对碱基
    \item 切割后的前体pre-miRNA经\redbf{Exportin5/RanGTP}运出细胞核进入胞质中。
    \item 胞质中的RNasell为\redbf{Dicer，切割pre-miRNA茎-环结构环的一端形成成熟的长约21个核苷酸的双链miRNA}，即miRNA-miRNA*，其中的miRNA链是真正行使功能的成熟miRNA链。
    \item 植物中没有Drosha的同源基因，pri-miRNA的两步切割由Dicer的同源基因\redbf{Dicer-Like1(DCL1)}完成。植物\redbf{双链miRNA两个3'端的自由羟基被甲基转移酶HEN1甲基化}，以羟甲基的形式存在。甲基化的3'端被保:护不受降解，有助于形成成熟的RISC。
\end{itemize}

\subsubsection{miRNA 的功能}
miRNA的功能:其一，\redbf{和siRNA一样装载成RISC后使互补配对的mRNA降解}。其二、\redbf{miRNA可抑制mRNA的翻译}，降低靶基因的蛋白质水平但不影响其mRNA的水平。
\subsection{长链非编码RNA}
\subsubsection{长链非编码RNA(lncRNA)的种类}
IncRNA指长度大于200 bp的非编码RNA。主要
包括:
\begin{itemize}
    \item \redbf{正义lncRNA}，其基因位点通过共享相同的启动子和某个蛋白编码基因有重叠
    \item \redbf{反义IncRNA}，其基因位点以反向的方式插入在某个已知的蛋白编码基因中
    \item \redbf{基因内lncRNA}，其基因位于某个蛋白编码基因的内含子区。基因间IncRNA，其编码lncRNA的基因位点位于两个蛋白编码的基因中;
    \item \redbf{增强子lncRNA}，其编码lncRNA的基因位点位于某一蛋白编码基因的增强子区域
    \item \redbf{环状IncRNA}，指通过共价键形成闭合的环lncRNA，来自可变剪切的编码蛋白基因。
\end{itemize}
\subsubsection{长链非编码RNA 的作用机制}
\begin{enumerate}
    \item lncRNA 作为信号分子行使功能:
    \begin{itemize}
    \item \redbf{lncRNA可以作为信号分子、诱饵分子、引导分子以及骨架分子等对基因表达进行调控(RNAP-II)}
    \item IncRNAs能参与\redbf{调控转录起始、延伸或终止}等阶段。这些情况下，调控元件的染色质状态只被相关的lncRNAs表达影响。
    \item 一些\redbf{IncRNAs}能通过与染色体互作以及\redbf{招募染色质修复装置等进一步参与介导大量基因的转录沉默。}
    \end{itemize}
    \item lncRNA作为诱饵分子行使功能
    \begin{itemize}
        \item 作为\redbf{诱饵分子}的lncRNA转录并结合在蛋白质靶点上，作为一种“分子过滤器”，进一步诱导RNA结合蛋白与之结合。这些蛋白质可以是转录因子、染色质修复子或者其他类型的调控因子等。
    \end{itemize}
    \item lncRNA 作为引导分子行使功能
    \begin{itemize}
        \item 第三种类型的lncRNA可以作为RNA结合蛋白的引导分子，\redbf{介导蛋白复合体定位在特定的靶点上。}
        \item lncRNA可通过顺式(邻近的基因)或反式(远处的基因)的方式介导基因表达的改变。
    \end{itemize}
    \item lncRNA 作为骨架分子行使功能
    \begin{itemize}
        \item lncRNA能作为一个\redbf{中心平台招募相关生物学过程中的分子组分进一步调控基因表达}。
    \end{itemize}
\end{enumerate}
\section{真核基因其他水平上的表达调控}
\subsection{蛋白质磷酸化对基因转录的调控}
\redbf{蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程}是生物体内普遍存
在的调节方式，几乎\redbf{涉及所有的生理及病理过程。}

细胞表面受体与配体分子的特异性结合，能诱导受
体蛋白构象变化，使胞外信号顺利通过质膜进入细
胞内，受体分子活化细胞功能的途径有两条：

\begin{itemize}
    \item 一是受体本身或受体结合蛋白具有\redbf{内源酪氨酸激酶活性}，胞内信号通过酪氨酸激酶途径得到传递
    \item 二是配体与细胞表面受体结合，通过\redbf{G蛋白介异的效应系统}产生介质，\redbf{活化丝氨酸/苏氨酸或酪氨酸激酶}，从而传递信号。
\end{itemize}
\redbf{酪氨酸受体蛋白激酶}与表皮生长因子(EGF)相结
合后，刺激了该受体蛋白的激酶活性，引发一系
列生理反应。

\redbf{原癌蛋白ErbB}虽然没有正常酪氨酸受体蛋白激
酶的胞外结构域，其胞内结构域却具有蛋白激酶
活性，刺激细胞持久分裂，诱发癌变。

\subsection{蛋白质乙酰化对转录活性的影响}
\redbf{肿瘤抑制因子p53蛋白}的活性受翻译后修饰(如磷
酸化、乙酰化等)机制调控，经修饰的p53蛋白能
与不同的靶分子或蛋白复合体相结合，从而抑制
或激活参与特定生理反应的靶基因。

p53蛋白的结构分3个不同区域:\redbf{N端酸性区(1~80位氨基酸残基)、C端碱性区(319~393位)和中间(100~300位)的疏水区}。

\redbf{p53}能识别不同构象靶基因的相同序列。
靶基因启动子的拓扑结构和p53蛋白(及与其相互作用的辅助蛋白)的构象决定p53是否与启动子区相互作用。

\redbf{乙酰化}使53蛋白的DNA结合区域暴露，\redbf{增强了DNA结合能力}，从而促进了靶基因的转录。

\redbf{CBP/p300等蛋白复合体}既能诱导染色体结构发生有利于结合p53蛋白的改变，又使p53蛋白被乙酰化，从而显著提高受p53调控的靶基因的转录活性。

\subsection{激素对基因表达的影响}
许多\redbf{类固醇激素}(如雌激素、孕激素、醛固酮、糖皮质激素和雄激素)以及\redbf{一般代谢性激素}(如胰岛素)的调控作用都是通过起始基因转录而实现的。

专一的\redbf{细胞质受体与激素复合物}通过核膜进入细胞核内，并与染色质的特定区域相结合，导致基因转录的起始或关闭(非靶细胞中没有或很少有这类受体;特异性)。

例如:糖皮质类激素

\begin{itemize}
    \item 体内许多糖皮质类激素应答基因都有一段大约20bp的\redbf{顺式作用元件}(激素应答元件，简称HRE)，该序列具有\redbf{类似增强子的作用}，其活性受激素制约
    \item 糖皮质激素通过\redbf{核穿梭}(nuclear shuttling)\redbf{激活下游信号通路}。该激素与受体结合进入细胞核内，结合在能够促进转录的相应增强子上，从而促进下游基因的转录。
\end{itemize}

\subsection{热激蛋白对基因表达的影响}
能与某个(类)专一蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的DNA上游序列被称为\redbf{应答元件}(response element)

如\redbf{热激应答元件}(heat shock response element,HSE)、\redbf{糖皮质应答元件}(glucocorticoid responseelement,GRE)、\redbf{金属应答元件}(metal responseelement,MRE)等

许多生物在最适温度范围以上，能受热诱导合成
一系列\redbf{热休克蛋白}

受热后，果蝇细胞内mRNA水平提高HSP701000倍，就是因为\redbf{热激因子}(heat shock factor, HSF)与HSP70基因\redbf{TATA区}上游60碱基对处的HSE相结合诱发转录起始。

按相对分子质量的大小以及同源程度可将热休克蛋白分为\redbf{HSP90、HSP70、小分子HSP及
泛素}4个家族，各家族HSP又由多种不同形式或经不同修饰的蛋白质分子所组成。


热休克蛋白参与靶蛋白活性和功能的调节，却不是靶蛋白的组成部分，因此，一般称它为\redbf{分子伴侣或伴侣蛋白}(chaperonine).

至今为止尚未发现HSP70基因中有内含子:至今为止尚未发现HSP70基因中有内含子，这一特征保证了它们一旦起始转录不
需剪接就可产生出成熟mRNA以适应HSP大量快速表达的需要，防止严重的热休
克影响mRNA 前体的剪接。

在没有受热或其他
环境胁迫时，HSF主
要以单体的形式存
在于细胞质和核内
\redbf{单体HSF没有DNA结合能力，HSP70可
能参与了维持HSF的
单体形式}。

\subsection{翻译水平调控}
蛋白质生物合成的起始反应涉及4种装置：
\begin{itemize}
    \item \redbf{核糖体}，蛋白质生物合成的场所；
    \item \redbf{模板mRNA}，传递基因信息的媒介；
    \item \redbf{可溶性蛋白因子}，蛋白质生物合成起始物形
成所必需的因子；即翻译起始因子
    \item \redbf{tRNA}，氨基酸的携带者。
\end{itemize}

\begin{enumerate}
    \item 真核生物mRNA的“扫描模式”与蛋白质合成起始
    \item mRNA5’端帽子结构的识别与蛋白质合成
    \item mRNA的稳定性与基因表达调控
    \item 可溶性蛋白因子的修饰与翻译起始调控
\end{enumerate}
许多可溶性蛋白因子，即\redbf{起始因子}，对蛋白质合成的起始有着重要的作用，对这些因子的修饰也会影响翻译起始。例如:
eIF-2磷酸化对翻译起始的影响(抑制翻译)

在蛋白质生物合成的过程中，特别是在起始反应中，mRNA的“可翻译性”是起决定作用的，其\redbf{5'端的帽子结构、mRNA二级结构、与rRNA的互补性以及起始密码附近的核苷酸序列都是蛋白质生物合成的信号系统。}